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Fooke五轴加工中心

 

这台加工中心的三个直线运动轴全部配备直线驱动电动机,机器的结构设计成专门为采用线性技术而优化过的Gantry结构样式
刀具模具制造方面的用户为了保持竞争能力,希望机床具有超出平均水平的生产率和精度。Fooke公司把市场的愿望和现代技术实现的可能性结合起来,以便进入机床制造的新时代:一切都为采用直线电动机而重新研制和设计。Endura 900 linear集功能与刚性于一身,达到了超出平均水平的生产率和精度。
新机床是在原先五轴加工中心系列的基础上研制的,自1994年以来,该系列的加工中心主要用于航空和宇航、轨道交通技术汽车技术、刃具和模具制造以及样机制造等行业。为了研制出先进的未来产品,Fooke公司开始做了一些基本调查。

提高机床的生产率

最初收集到的信息是,用户对未来希望什么,市场已经能够提供何种解决方案,才能找到普遍可行的进军方向。机床制造专家们发现,用户认为未来最重要的是明显提高机床的生产率:“不管你们怎样做,请你们首先考虑到,我们的工件要比目前更快地从机床里加工出来,而且至少要保持和目前同样的质量。”为了满足这项要求,为了在动态性能和生产率方面真正实现飞跃,采用传统的驱动技术是行不通的。只有采用创新型驱动方案,也就是线性技术才能有出路。初步考虑当然是把直线电动机安装在现有的机器结构上。不过,Fooke公司很快就发现,这样对设计帮助不会太大,因为旧式机床结构对于高动态性能的新型电动机来说太软了

图1 加工中心是借助于有限元法研制的。图中表示机床结构的固有振动形状
有了这些认识之后,专家们清楚地知道,他们必须另走一条全新的路。Fooke公司为此找到了伙伴,这些伙伴可以对自己的经验加以补充。这些伙伴是Fooke公司在Gelsenkirchen大学Bocholt分校以及西门子公司找到的。在着手进行设计工作之前,提出了许多原则上的考虑,从机床在物理上的基本任务到底是什么的问题开始。最后对这个问题给出了这样的答案:机床是在空间里运动着的一个旋转对称体,比如钻床铣床。然后可以提出这样的问题:我以何种质量来在空间中运行这个旋转对称体?理论上可以用手来做(手持式钻机),也可以用手动机器来做,可以用机器人或者用CNC铣床来做。假如现在把这种物理上的作用原理同客户的要求结合起来,就形成了生产力极高的五轴CNC加工中心的基本方案。为了找到最佳的结构和最佳的组件,就对结构的刚性、驱动的刚性以及来自控制器的动作引导智能做了一些考虑。作为定性评价参数选用了调节质量,也就是KV系数。在这个位置上,研制小组对三种影响因素之中的每一种因素分别进行了观察,最后又把它们全部放在复杂的模拟中做了综合观察。他们借助有限元法(图1)进行工作,后来又利用这种方法取得的结果继续在Mathlab工作。在此期间又纳入了电气性能,借助仿真对基本结构进行了优化,使因有频率最终与目标参数相符合。

Gantry结构的龙门式铣床

于是,研制班子决定造一台样机(X=2000 mm,Y=2000 mm,Z=1200 mm),利用样机对数学模型的质量进行了检验,并利用样机进行了实际加工。试验表明,计算出的数值以及测得的数值相互符合,仅差1~2 Hz。因此,模型无论当时还是现在都非常接近实际。
从所有这些前期考虑和计算中设计出了一台Gantry结构的门式铣床:在这种结构方式中,运动的质量极小。机床的基本结构是焊接的,用特种混凝土浇筑的底座具有减震作用。侧壁制成双塔门式,也是用混凝土浇筑而成的。导轨基座就做在它上面,并用螺钉加以固定。对塔式门、Y轴和Z轴在重量、刚性和减震方面进行了优化。驱动X、Y和Z轴的线性驱动装置进行了智能安装,结果使作用于机床结构的负荷(重量和磁吸引力)达到了最小。所有导轨全部制成了预应力滚柱导轨(INA)。
各个具体的机床型号如Endura 904、905和906 linear之间的区别首先在于铣头和高频主轴。Endura 904 linear目前采用轻型铣头,转数为22000r/min,扭矩为30Nm。铣头在轴上的旋转速度达20r/min。
此外,视客户的要求不同,机床还可配备自动换刀器、工件装卸系统、微量喷淋计量系统、湿式工作的冷却剂系统、刀具和工件测量系统、灰尘和切屑清理装置、夹紧系统以及噪声保护装置。用户可以在标准程序中选择不同运行路径的机器,X轴方向可达20m,Z轴方向达4m,Y轴方向达2m。
Fooke公司在Endura 900 linear系列的电气配置上与西门子公司进行了极为密切的合作,把设计工作最终委托给西门子公司,包括开关柜的制造。驱动则采用了1FN3型直线电动机,旋转轴装配了1FT6系列伺服电机。二者均采用Simodrive-611D变频器进行驱动。控制器选用的是Sinumerik 840D加NCU 573.5,目前,这是硬件装备的旗舰。外围设备采用分散式结构,通信则采用Profibus DB总线。整台机床,包括操作人员全部采用西门子自备的安全技术Safety Integrated (Level II)加以保护。

线性轴快速行程达65m/s

最后再看一看实际的功率。新技术为用户带来了什么?首先是可以确认,所有3条线性轴都可以用高达65m/s的快速行程进行运行。其次,动态性能比常规驱动的机床高出3倍。生产率因此可以提高大约35%。单位时间/切屑量达到了可观的5,500cm3(铝)。以取样件为例,用传统的CNC铣床加工这样一个工件需要11min,而用Endura 900 linear则仅需6min分钟,这表明了技术数据在实践中意味着什么。而这种生产率数值并不以损失精度为代价:调节回路的加强(Kv系数),在传统机床上一般在1~3m/(min·mm),而新研制的产品则提高到了(5m/min·mm)。


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